MIPI-Kamera vs. USB-Kamera
In den letzten Jahren hat sich Embedded Vision von einem Modewort zu einer weit verbreiteten Technologie entwickelt, die in Industrie, Medizin, Einzelhandel, Unterhaltung und Landwirtschaft Anwendung findet. Mit jeder Entwicklungsphase hat sich die Anzahl der verfügbaren Kameraschnittstellen deutlich erhöht. Trotz der technologischen Fortschritte sind MIPI- und USB-Schnittstellen jedoch nach wie vor die beiden beliebtesten Schnittstellen für die meisten Embedded-Vision-Anwendungen.
MIPI-Schnittstelle
MIPI (Mobile Industry Processor Interface) ist ein offener Standard und eine Spezifikation, die von der MIPI Alliance für mobile Anwendungsprozessoren initiiert wurde.MIPI-KameramoduleMIPI-Kameramodule sind in Mobiltelefonen und Tablets weit verbreitet und unterstützen hochauflösende Bilder mit über 5 Millionen Pixeln. Sie werden in MIPI DSI und MIPI CSI unterteilt, die den Standards für Videoanzeige bzw. Videoeingang entsprechen. Aktuell finden MIPI-Kameramodule breite Anwendung in eingebetteten Systemen wie Smartphones, Fahrtenschreibern, Überwachungskameras für die Polizei, hochauflösenden Mikrokameras und Netzwerküberwachungskameras.
MIPI Display Serial Interface (MIPI DSI®) definiert eine serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle zwischen einem Host-Prozessor und einem Displaymodul. Diese Schnittstelle ermöglicht es Herstellern, Displays mit hoher Leistung, geringem Stromverbrauch und minimalen elektromagnetischen Störungen (EMI) zu integrieren, gleichzeitig die Anzahl der Pins zu reduzieren und die Kompatibilität zwischen verschiedenen Herstellern zu gewährleisten. Entwickler können MIPI DSI nutzen, um eine brillante Farbwiedergabe für anspruchsvollste Bild- und Videoszenarien zu realisieren und die Übertragung stereoskopischer Inhalte zu unterstützen.
MIPI ist die am weitesten verbreitete Schnittstelle auf dem heutigen Markt für die Punkt-zu-Punkt-Bild- und Videoübertragung zwischen Kameras und Host-Geräten. Dies ist auf die einfache Bedienbarkeit von MIPI und die Unterstützung einer Vielzahl von Hochleistungsanwendungen zurückzuführen. Zudem bietet MIPI leistungsstarke Funktionen wie Videoaufzeichnung in 1080p, 4K, 8K und darüber hinaus sowie hochauflösende Bildgebung.
Die MIPI-Schnittstelle ist eine ideale Wahl für Anwendungen wie Head-Mounted-Virtual-Reality-Geräte, intelligente Verkehrssysteme, Gestenerkennungssysteme, Drohnen, Gesichtserkennung, Sicherheitssysteme, Überwachungssysteme usw.
MIPI CSI-2 Schnittstelle
Der MIPI CSI-2-Standard (MIPI Camera Serial Interface 2nd Generation) ist eine leistungsstarke, kostengünstige und benutzerfreundliche Schnittstelle. MIPI CSI-2 bietet eine maximale Bandbreite von 10 Gbit/s mit vier Bilddatenleitungen, wobei jede Leitung Daten mit bis zu 2,5 Gbit/s übertragen kann. MIPI CSI-2 ist schneller als USB 3.0 und verfügt über ein zuverlässiges Protokoll zur Videoverarbeitung von 1080p bis 8K und darüber hinaus. Dank des geringen Overheads bietet MIPI CSI-2 zudem eine höhere Nettobildbandbreite.
Die MIPI-CSI-2-Schnittstelle benötigt dank ihrer Mehrkernprozessoren weniger CPU-Ressourcen. Sie ist die Standard-Kameraschnittstelle für Raspberry Pi und Jetson Nano. Auch die Raspberry-Pi-Kameramodule V1 und V2 basieren darauf.
Einschränkungen der MIPI CSI-2-Schnittstelle
Obwohl MIPI CSI eine leistungsstarke und weit verbreitete Schnittstelle ist, weist sie einige Einschränkungen auf. Beispielsweise benötigen MIPI-Kameras zusätzliche Treiber. Dies bedeutet, dass die Unterstützung für verschiedene Bildsensoren begrenzt ist, es sei denn, Hersteller eingebetteter Systeme drängen aktiv darauf.
Vorteile von MIPI:
Die MIPI-Schnittstelle verfügt über weniger Signalleitungen als die DVP-Schnittstelle. Da es sich um ein Differenzsignal mit niedriger Spannung handelt, sind die erzeugten Störungen gering und die Störfestigkeit ist hoch. Geräte ab 800 W verwenden ausschließlich die MIPI-Schnittstelle. Auch die Kameraschnittstelle von Smartphones nutzt MIPI.
Wie funktioniert es?
Die ultrakompakte Platine eines Bildverarbeitungssystems unterstützt typischerweise MIPI CSI-2 und ist mit einer Vielzahl intelligenter Sensorlösungen kompatibel. Darüber hinaus ist sie mit vielen verschiedenen CPU-Platinen kompatibel.
MIPI CSI-2 unterstützt die MIPI D-PHY-Physikschicht zur Kommunikation mit dem Anwendungsprozessor oder dem System-on-a-Chip (SoC). Es kann auf einer der beiden Physikschichten implementiert werden: MIPI C-PHY℠ v2.0 oder MIPI D-PHY℠ v2.5. Daher ist seine Leistung skalierbar.
Bei einer MIPI-Kamera erfasst der Kamerasensor ein Bild und überträgt es an den CSI-2-Host. Das Bild wird bei der Übertragung als Einzelbilder im Speicher abgelegt. Jedes Einzelbild wird über virtuelle Kanäle übertragen. Jeder Kanal wird anschließend in Zeilen aufgeteilt, die nacheinander übertragen werden. Dadurch ist die vollständige Bildübertragung vom selben Bildsensor möglich – jedoch mit mehreren Pixelströmen.
MIPI CSI-2 verwendet Pakete zur Kommunikation, die Datenformat und Fehlerkorrekturcode (ECC) enthalten. Ein einzelnes Paket durchläuft die D-PHY-Schicht und wird dann in die benötigte Anzahl an Datenleitungen aufgeteilt. Die D-PHY-Schicht arbeitet im Hochgeschwindigkeitsmodus und überträgt das Paket über den Kanal an den Empfänger.
Anschließend wird der CSI-2-Empfänger mit der D-PHY-Physikschicht ausgestattet, um das Paket zu extrahieren und zu dekodieren. Dieser Vorgang wird Frame für Frame vom CSI-2-Gerät zum Host wiederholt und ist effizient und kostengünstig implementiert.
USB-Schnittstelle
DerUSB-SchnittstelleUSB dient üblicherweise als Schnittstelle zwischen Kamera und PC. Dank seiner Plug-and-Play-Funktionalität ermöglicht die Wahl der USB-Schnittstelle, teure und langwierige Entwicklungszeiten und -kosten für eingebettete Bildverarbeitungssysteme zu vermeiden. USB 2.0, die ältere Version, weist jedoch erhebliche technische Einschränkungen auf. Mit dem Rückgang dieser Technologie werden einige ihrer Komponenten inkompatibel. Um die Einschränkungen von USB 2.0 zu überwinden, wurden die Schnittstellen USB 3.0 und USB 3.1 Gen 1 entwickelt.
Die USB-3.0-Schnittstelle (und USB 3.1 Gen 1) vereint die Vorteile verschiedener Schnittstellen. Dazu gehören Plug-and-Play-Kompatibilität und geringe CPU-Auslastung. Der industrielle Bildverarbeitungsstandard von USB 3.0 erhöht zudem die Zuverlässigkeit für hochauflösende und Hochgeschwindigkeitskameras.
Es benötigt nur minimale zusätzliche Hardware und unterstützt geringe Bandbreiten – bis zu 40 Megabyte pro Sekunde. Die maximale Bandbreite beträgt 480 Megabyte pro Sekunde. Das ist 10-mal schneller als USB 2.0 und 4-mal schneller als Gigabit-Ethernet! Dank Plug-and-Play-Funktionalität lassen sich eingebettete Bildverarbeitungsgeräte problemlos austauschen – so ist der Austausch einer defekten Kamera kinderleicht.
Einschränkungen der USB 3.0-Schnittstelle
Der größte Nachteil desUSB 3.0Die Schnittstelle ermöglicht keinen Hochgeschwindigkeitsbetrieb hochauflösender Sensoren. Ein weiterer Nachteil ist die maximale Kabellänge von 5 Metern zum Host-Prozessor. Längere Kabel sind zwar erhältlich, jedoch mit Verstärkern ausgestattet. Die Kompatibilität dieser Kabel mit Industriekameras muss daher individuell geprüft werden.
Veröffentlichungsdatum: 22. März 2023
